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Die
Erfindung geht aus von einem Transformator mit einer primären und
mindestens einer sekundären
Wicklung, die in Form von Leiterbahnen auf einer oder mehreren Schichten
eines flachen Trägers,
insbesondere Folien oder Leiterplatten, angeordnet sind. Transformatoren
dieser Art werden beispielsweise in Schaltnetzteilen mit sehr hohen Schaltfrequenzen,
insbesondere Frequenzen über 50
kHz, benutzt, wodurch der Transformator sehr klein gehalten werden
kann.
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Bei
einer Verkleinerung des Transformators muß auf eine ausreichende Isolierung
zwischen der Primärseite
und der Sekundärseite
geachtet werden, wenn der Transformator nicht vergossen werden soll. Dies
ist insbesondere wichtig für
Schaltnetzteile mit Netztrennung, für die Sicherheitsvorschriften
eine Kriechstrecke für
elektrische Oberflächenströme von der
Sekundärseite
zur Primärseite
von mindestens 6 mm verlangen, die über den gesamten Transformator eingehalten
werden muß.
Bei gegebenen Abmessungen des Transformatorkerns wird dadurch das verfügbare Nutzvolumen
für die
Wicklungen eingeschränkt.
Die Sicherheitsvorschriften führen
somit zu größeren Bauelementen
und höheren
Verlustleistungen durch erhöhten
ohmschen Widerstand und durch eine geringere magnetische Kopplung.
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Bekannte
Transformatoren dieser Art, in den 1a, 1b dargestellt,
enthalten beispielsweise einen Kern mit zwei Kernteilen K1, K2,
in dessen Öffnungen
Primär-
und Sekundärwicklungen
W1, W2 angeordnet sind. Die Wicklungen sind als Leiterbahnen L auf
nichtleitenden Schichten F eines flachen Trägers angeordnet, wobei mehrere
Schichten jeweils übereinander
liegen je nach Anzahl der benötigten
Windungen. Mehrere Schichten P sind dabei durch Durchkontaktierungen
T2 seriell verschaltet und weisen zwei Anschlüsse T1, T3 nach außen auf. Um
ausreichend große
Kriechstrecken zwischen den verschiedenen Wicklungen zu erreichen,
müssen
die äußeren und
inneren Ränder
R der Schichten P frei bleiben, dürfen also keine Leiterbahnen
aufweisen. Die Leiterbahnen L sind beispielsweise in Ätztechnik als
Kupferbahnen auf den Schichten P herge stellt. Die 1a, 1b sind
Schnittzeichnungen entsprechend einer mittleren horizontalen und
einer mittleren vertikalen Ebene des Transformators.
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Ein
Transformator gemäß dem Oberbegriff des
Anspruch 1 ist bekannt durch die WO 91/15861.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kompakten Transformator
der eingangs genannten Art anzugeben, der verbesserte elektrische Eigenschaften
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale der Erfindung
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der
Transformator enthält
einen Spulenkörper
mit einem Kammersystem mit Kammern, das die Schichten mit den Wicklungen
aufnimmt. Die Wicklungen sind in mindestens zwei getrennten Kammern angeordnet,
so daß sich
lange Wege für
Kriechströme
zwischen den Wicklungen ergeben, ohne daß der Transformator vergossen
werden muß.
Das Kammersystem wird hierbei durch mindestens zwei Teile gebildet,
die derart geformt sind, daß durch
Zusammenstecken dieser Teile Kammern entstehen.
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Das
Kammersystem kann beispielsweise durch zwei Teile gebildet werden,
die jeweils in einem Querschnitt in ihrer Form einem asymmetrischen
H entsprechen, und die derart zusammengesteckt sind, daß eine geschlossene
Kammer im Bereich einer Kernöffnung
für die
Sekundärwicklung
und zwei benachbarte, offene Kammern für die Primärwicklung entstehen. In einem
anderen Ausführungsbeispiel wird
das Kammersystem durch drei Teile gebildet, wobei zwei Teile derart
auf ein mittleres Teil gesteckt werden, daß zwei geschlossene Kammern,
eine für jeweils
eine Wicklung, entstehen.
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Die
Teile des Kammersystems können
beispielsweise aus spritzgegossenem Thermoplast hergestellt werden,
deren Maße
derart gewählt
sind, daß sie
beim Zusammenstecken an den äußeren Wänden miteinander
verrasten. Die äußeren Wände können hierbei
nach Sandwichart übereinander
liegen, wodurch lange Wege für
Kriechströme
entstehen, ohne daß der
Platzbedarf für
das Kammersystem erhöht
werden muß.
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Das
Kammersystem umgibt insbesondere die Bereiche und die Öffnungen
des Kerns und ist an beiden Seiten offen, so daß die Schichten mit den Wicklungen
an beiden Seiten herausgeführt
werden können
zur Kontaktierung von Anschlüssen
und für Kontaktierungen
zwischen verschiedenen Schichten. Das äußere Teil des Kammersystems
ist zudem an seinem äußeren Rand
mit einer Verlängerung
versehen, so daß die
zusammengesteckten Teile in einem Schnitt über den Kern die Form eines
H annehmen, wodurch an diesen Rändern
die Kriechstrecke vergrößert wird.
Die Schichten selbst können
an den offenen Seiten wie bisher ausreichend vergrößert sein, so
daß hier
die Sicherheitsvorschriften ebenfalls eingehalten werden. Hierdurch
wird die Kontaktierung durch das Kammersystem nicht eingeschränkt.
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Die
Teile des Kammersystems verbrauchen zwar selbst einen Teile des
Raums in den Öffnungen des
Kerns, dies wird aber kompensiert, da sich die Leiterbahnen jetzt über die
gesamte Breite einer Schicht erstrecken bis zu den Wänden des
Kammersystems. Hierdurch wird beispielsweise für einen Transformator mit ca.
140 Watt Übertragungsleistung die
nutzbare Kupferfläche
um ca. 45% vergrößert. Im gleichen
Verhältnis
wird die elektrische Verlustleistung reduziert.
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Die
Kammern dienen zudem als Montagehilfe und verringern die Streuung
der Geometrie und somit der elektrischen Eigenschaften aufgrund
von Montagetoleranzen. Alternativ kann die Leistung des Transformators
hierdurch erhöht
werden oder der Transformator bei vorgegebener Leistung verkleinert werden.
Die Schichten sind beispielsweise Leiterplatten oder Folien, z.
B. Mylar- oder Kapton-Folien.
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Werden
beidseitig beschichtete Trägerschichten
verwendet, so sind Durchkontaktierungen notwendig, die auf der Oberseite
und der Unterseite der Trägerschicht
angeordnete Leiterbahnen verbinden. Zudem müssen Leiterbahnen von mehreren Trägerschichten
miteinander verbunden werden, da auf einer Seite einer Trägerschicht
nur eine oder wenige Leiterbahnen angeordnet sind und für eine Transformatorwicklung
eine vorgegebene Windungszahl erreicht werden muß. Dies verteuert diesen Transformator
jedoch erheblich und erschwert eine automatische Fertigung.
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Zur
Kontaktierung der Leiterbahnen weist das Kammersystem deshalb in
gemäß der Erfindung Stege
mit metallisierten Nuten auf, die Verbindungen zwischen Leiterbahnen
herstellen, die auf der Ober- und der Unterseite einer beidseitig
beschichteten Trägerschicht
angeordnet sind oder zwischen Leiterbahnen zweier benachbarter Trägerschichten.
Hierdurch können
insbesondere Durchkontaktierungen von Trägerschichten vermieden werden.
Eine Nut umfaßt
hierbei gewissermaßen
wie eine Klammer die Kante einer beidseitig beschichteten Trägerschicht und
verbindet hierdurch zwei Leiterbahnen, bei denen beispielsweise
jeweils ein Ende bis zu dieser Kante herangeführt ist.
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Die
Stege des Kammersystems und die metallisierten Nuten können nach
dem Zweischuß-MID ("Moulded Interconnect
Devices")-Verfahren
zusammen mit den Kammerteilen hergestellt werden. Durch das MID-Verfahren,
ein Kunststoff-Spritzgieß-Verfahren,
können
filigrane Strukturen aus Thermoplasten zusammen mit metallischen
Leiterbahnen hergestellt werden, durch die herkömmliche Leiterplatten ersetzt werden
können.
Die Stege werden hierbei selektiv metallisiert für die Herstellung der Nuten.
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Für einen
niedrigeren Übergangswiderstand können die
metallisierten Nuten zusätzlich
galvanisch verstärkt
werden. Unterstützend
kann ein Lotpastenauftrag mit nachgeschaltetem Lötvorgang vorgesehen werden.
Die Kontaktierungen werden auf zwei oder mehrere Stege verteilt,
um einen Zwischenraum mit einem ausreichenden Isolationsabstand
zwischen zwei Nuten zu gewährleisten.
Bei dem Zweischuß-MID-Verfahren
kann beispielsweise bei dem ersten Schuß eine Aktivierung mittels
Paladium-Keimen verwendet werden, die die Haftung einer nachträglich aufgebrachten
Kupferschicht verbessert.
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Für die Trägerschichten
kann insbesondere eine LCP ("Liquid
Crystal Polymer")-Struktur verwendet
werden, auf die z. B. mit dem Futuron-Verfahren Leiterbahnen aufgebracht
werden können.
Hierdurch können
Leiterbahndicken mit 35 μm
oder 70 μm
Kupfer für
eine höhere
Strombelastung hergestellt werden, also Leiterbahndicken, die mit
dem "Hot Stamping"-Verfahren nicht
erzeugt werden können.
Die LCP-Folie ist sehr temperaturbeständig, so daß Lötverfahren, beispielsweise
das Reflow-Verfahren, für das
Kammersystem mit den darin angeordneten Trägerschichten verwendet werden
kann.
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Im
folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von schematischen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1a, 1b einen
Planartransformator nach dem Stand der Technik,
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2a, 2b einen
Transformator mit einem Kammersystem aus drei Teilen und zwei Kammern,
und
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3a, 3b einen
Transformator mit einem Kammersystem aus zwei Teilen und drei Kammern,
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4 Kontaktierungen
von Leiterbahnen mittels trogförmiger
Nuten gemäß der Erfindung,
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5a ein
Kammerteil mit Stegen zur Kontaktierung,
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5b eine
seitliche Ansicht des Kammerteils der 5a in
einem Schnitt, und
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6 eine
Kupferstruktur zur Galvanisierung von Nuten auf einem Kammerteil.
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Der
in der 2a dargestellte Transformator enthält einen
Kern mit zwei Kernteilen K1, K2 in Form eines E/E-Kerns, durch dessen Öffnungen
die Windungen einer Primärwicklung
W1 und mindestens einer Sekundärwicklung
W2 hindurchführen.
Die Wicklungen W1, W2 sind hierbei in einem Kammersystem angeordnet,
das aus drei Teilen P1, P2, P3 derart zusammengesetzt ist, daß sich in
dem Bereich der Schnittebene zwei geschlossene Kammern C1, C2 ergeben,
in denen die Wicklungen W1, W2 getrennt voneinander angeordnet sind.
Eines der Teile P2 hat die Form eines Doppel-T, bezogen auf eine Öffnung, und
die beiden anderen Teile P1, P3 die Form eines U. Die zwei Teile
P1, P3 sind passend gefertigt in Bezug auf das mittlere Teil P2
und werden mit diesem zusammengesteckt, so daß sich die geschlossenen Kammern
C1, C2 ergeben. Die U-förmigen Teile
P1, P2 sitzen hierbei innerhalb des T-förmigen Teils P2. Aufgrund des
Doppel-T des in der Mitte angeordneten Teils P2 ergeben sich lange
Kriechwege zwischen den beiden Wicklungen W1 und W2.
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Die
Wicklungen W1, W2 sind aus mehreren Lagen von Trägerschichten F aufgebaut, zwischen denen
eine Isolierschicht angeordnet ist. Die Trägerschichten F sind in diesem
Ausführungsbeispiel
beidseitig mit Leiterbahnen versehen. Einseitig beschichtete Trägerschichten
können
aber ebenfalls verwendet werden. Eine beispielhafte Anordnung einer
Leiterbahn L auf der Trägerschicht
F ist aus der 2b ersichtlich. Hier sind fünf Windungen
auf einer Seite angeordnet mit einer Kontaktierung T1 am Anfang und
einer Kontaktierung T2 am Ende der Leiterbahn. Das Ende der Leiterbahn
T2 wird über
eine Durchkontaktierung auf die Unterseite der Trägerschicht
F durchgeführt,
auf der ebenfalls Windungen angeordnet sind, und mittels einer Durchkontaktierung
T3 wieder auf die Oberseite zurückgeführt.
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In
der 2b ist der Transformator der 2a in
einer Schnittebene senkrecht zu der Schnittebene der 2a dargestellt,
wobei die Schnittebene durch den Kernteil K1 geht. Die Schichten
F und das Kammersystem mit den Teilen P1, P2 füllen die Öffnungen des Kernes K1 vollständig aus. Die
Kammern des Kammersystems sind hierbei im Bereich der Öffnungen
des Kerns und im Kern vollständig
geschlossen und nur an den beiden Seiten links und rechts sind die
Schichten F mit den Leitern L aus den Kemmern C1, C2 herausgeführt für die Anschlüsse der
Wicklungen W1, W2. Die Anschlüsse T1,
T3 der einen Wicklung W1 liegen beispielsweise linksseitig und die
Anschlüsse
der anderen Wicklung W2 dann entgegengesetzt auf der rechten Seite,
so daß ein
ausreichender Abstand zur Netztrennung gewährleistet ist. Das Doppel-T-förmige Teil
P2 enthält zusätzlich an
seinen Rändern
eine Verlängerung
P2L zur Vergrößerung der
Kriechstrecken in diesem Bereich. Aufgrund dieser Anordnung können die
Leiterbahnen L über
die volle Breite der Schicht F im Bereich der Kernöffnungen
erstreckt werden.
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In
den 3a, 3b ist ein Transformator mit
einem Kammersystem dargestellt, das ein inneres Teil P4 und ein äußeres Teil
P5 enthält,
durch die eine geschlossene Kammer C4 und zwei offene Kammern C3,
C5 gebildet werden. In dem Schnitt der 3a haben
die beiden Teile P4, P5 die Form eines asymmetrischen H, mit etwas
unterschiedlicher Größe, so daß das eine
in das andere gesteckt werden kann. Hierdurch kann die Sekundärwicklung
W2 in der geschlossenen mittleren Kammer C4 und die Primärwicklung
W1, aufgeteilt in zwei Hälften,
in den beiden äußeren Kammern
C3, C5 angeordnet werden. Durch die Form der äußeren Wände nach Art eines asymmetrischen
H werden hier ebenfalls große Kriechstrecken
zwischen den Wicklungen W1 und W2 erzielt.
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In
der 3b ist der Transformator der 3a in
einer Schnittebene gezeigt, die der der 2b entspricht.
Hier sind die Leiterbahnen L einer Schicht F ebenfalls vollständig über die
Breite der inneren Kammer des Teils P5 ausgedehnt. Das Kammersystem
mit den Teilen P4 und P5 ist hier ebenfalls nur in dem Bereich im
Kern und um dessen Öffnungen
geschlossen und zu beiden Seiten offen für die Kontaktierung der Anschlüsse T1 und
T3.
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Die
Dicke der Wände
der Kammerteile P4 und P5 kann sehr gering gehalten werden, z. B.
0,4 mm. Außerhalb
von den Öffnungen
der Kernteile K1, K2 können
die Trägerschichten
F aus dem Kammersystem herausragen, wie vorangehend beschrieben, beispielsweise
um Kontaktierungen an den Anschlüssen
T1 und T3 vorzunehmen. Der benötigte Isolationsabstand
kann hier ohne Nachteile durch einen ausreichenden Rand R auf der
Trägerschicht
F hergestellt werden.
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Der
Transformator kann beispielsweise in einem Schaltnetzteil verwendet
werden, bei dem die Primärwicklung
W1 mit einem Schalttransistor und über einen Brückengleichrichter
mit dem Netz verbunden ist. Mehrere Sekundärwicklungen zur Versorgung
von Verbrauchern können
sowohl sekundärseitig
mit Netztrennung als auch primärseitig
ohne Netztrennung angeordnet sein. Die Netztrennung verläuft auf
der Platine, auf der der Transformator in einem Gerät angeordnet
ist, unterhalb dessen Kerns. Je nachdem, ob die Anschlüsse einer
Sekundärwicklung
nach links oder nach rechts herausgeführt sind, ergibt sich für diese
Sekundärwicklung
Netztrennung oder keine Netztrennung. Entsprechend können die Wicklungen
auf die Kammern des Kammersystems verteilt werden. Andere Ausgestaltungen,
insbesondere mit anderen Kernformen, sind aber ebenfalls möglich.
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Gemäß der Erfindung
enthält
das Kammersystem zur Vermeidung von Durchkontaktierungen Stege S
mit metallisierten Nuten N, dargestellt in der 4,
die Verbindungen zwischen Leitern L auf der Oberseite und der Unterseite
der Trägerschichten
F herstellen. Die Stege S sind an Kammerwänden PK angeordnet, die in
diesem Ausführungsbeisiel
senkrecht von dem Bodenteil B eines Kammerteils hochführen. Die
Nuten N können
trogförmig,
wie in diesem Ausführungsbeispiel,
oder kerbförmig
ausgeführt sein,
so daß die
Trägerschichten
F mit einer Kante einrasten. Eine metallisierte Nut N umgibt hierbei
die Kante wie eine Klammer und stellt hierdurch einen elektrischen
Kontakt zwischen einer Leiterbahn L auf der Oberseite und einer
Leiterbahn L auf der Unterseite der betreffenden Trägerschicht
F her. Die Tiefe der Nut kann beispielsweise in einem Bereich um
0,5 mm liegen.
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Als
Trägerschicht
kann insbesondere eine LCP-Struktur mit einer Dicke von 0,05 mm
verwendet werden, die mit Leiterbahnen der Dicke 35 μm oder 70 μm versehen
werden kann. Zur Unterstützung
der Kontaktierung zwischen den Leiter bahnen L auf der Ober- und
der Unterseite der Trägerschicht
F kann zusätzlich
noch ein Lötpastenauftrag
LP verwendet werden, der in die Nuten N eingebracht ist. Durch entsprechendes
Erhitzen, beispielsweise in einem Reflow-Verfahren, kann die Lötpaste mit
den Leiterbahnen L und der Metallisierung der Nut N verschmelzen.
Anstatt dieses Lötverfahrens
kann auch ein Leitkleber verwendet werden.
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Zwischen
den Trägerschichten
F sind Isolierschichten IS angeordnet zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen
Leiterbahnen. Die Stege S enthalten insbesondere nur für jede zweite
Trägerschicht
F eine metallisierte Nut N, so daß sich ein ausreichender Isolationsabstand
zwischen zwei Nuten ergibt.
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In
der 5a ist ein inneres Kammerteil P4 in einer Aufsicht
dargestellt, in das die Trägerschichten
F, beispielsweise die Sekundärwicklung
W2, in Form eines Stapels eingelegt werden. Es enthält ein Bodenteil
B, auf dem die unterste Trägerschicht
F möglichst
plan aufliegt, und Seitenwände
PK, die die Breite der Trägerschichten
bestimmen. Dieses Kammerteil P4 kann beispielsweise für einen
E/E-Kern verwendet werden, wobei der mittlere Kernschenkel des Kerns
durch die Öffnung
OE des Kammerteils P4 hindurchführt.
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Durch
ein zweites Kammerteil, nicht dargestellt, ist die in dem Kammerteil
P4 angeordnete Wicklung im Bereich des Kernes und dessen Öffnungen
vollständig
umschlossen, so daß die
volle Breite zwischen den Kammerwänden PK für Leiterbahnen auf den Trägerschichten
F verwendet werden kann. Das Kammerteil P4 und das zugehörige, abschließende äußere Kammerteil
sind ähnlich
den Kammerteilen P4 und P5 der 3a, besitzen
jedoch seitliche Erweiterungen. Hierdurch können weitere Stege beim inneren
Kammerteil P4 angeordnet werden, beim Ausführungsbeispiel der 5a die
Stege S1, S2 und S5, S6. Durch eine Aussparung AS können die
Stege S3 und S4 auch von der Seite bearbeitet werden.
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Der
Aufbau der Stege S3, S4 geht aus der 5b hervor,
die eine Ansicht des Kammerteils P4 im Schnitt A-B zeigt. In diese
Stege S3, S4 sind metallisierte Nuten N1–N5 eingelassen, durch die
jeweils ein Kontakt zwischen einer Leiterbahn auf der Oberseite
und der Unterseite einer Trägerschicht hergestellt
wird. Da die Nuten N1–N5
auf zwei Stege verteilt sind, entsteht ein ausreichender Isolationsabstand
zwischen den Nuten. Hierdurch werden mit einem Steg jeweils Kontaktierungen
von übernächsten Trägerschichten
bewirkt, so daß zwei
Stege ausreichend sind. Durch die fünf Nuten N1–N5 werden beispielsweise obere
und untere Leiterbahnen von fünf Trägerschichten
miteinander kontaktiert zur Vermeidung von Durchkontaktierungen.
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Durch
die Stege S3, S4 werden nur Kontaktierungen von Leiterbahnen auf
der Ober- und der Unterseite von Trägerschichten hergestellt zur
Vermeidungen von Durchkontaktierungen. Kontaktierungen zwischen
Trägerschichten
können
mit der Erfindung ebenfalls hergestellt werden, sollen aber bei dieser
Ausführung
am äußeren Rand
der Trägerschichten
zusammen mit den Anschlüssen
der Wicklung realisiert werden.
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In
der 6 sind die Nuten N1–N5 der Stege S3, S4 vergrößert in
einer Detailzeichnung dargestellt. Hier ist zusätzlich noch eine Kupferstruktur
KS zu sehen, die in der 5b nicht
vorhanden ist. Durch diese wird eine elektrische Verbindung zu den Nuten
N1–N5
bewirkt, über
die bei der Herstellung die Metallisierung der Nuten N1–N5 in einem
Kupferbad galvanisch verstärkt
werden kann. Nach der Galvanisierung wird die Kupferbahn KS wieder
entfernt. Die Kupferschicht KS kann direkt auf der Wand PK aufgebracht
werden.
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Indem
für die
Trägerschichten
F und die Kammerteile P4, P5 beziehungsweise für die Teile P1–P3 dieselbe
LCP-Struktur verwendet werden, bietet sich die Möglichkeit, den Transformator
vollständig
zu recyclen. Eine Trennung von Kunststoff und Metall mit einem befriedigendem
Reinheitsgrad bei einer LCP-Struktur
wurde bereits nachgewiesen. Ein Stoffrecycling wäre insbesondere wichtig für Fernsehgeräte, da diese
sehr viele Kunststoffteile enthalten.
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Aufgrund
der hervorragenden spritztechnischen Eigenschaften der LCP-Strukturen können Wandstärken im
Bereich von 0,4 mm für
die Kammerteile verwendet werden, wodurch der Flächenverlust in den Öffnungen
des Kerns bei dieser Wandstärke gering
gehalten wird. Aufgrund der Verbreiterung der nutzbaren Fläche auf
den Trägerschichten
im Vergleich zu früheren
Transformatoren kann die Anzahl der Lagen von Trägerschichten reduziert werden,
so daß die
zusätzlichen
Kosten, die durch das Kammersystem entstehen, bereits durch die
Einsparung einer Wicklungslage kompensiert werden können. Zusätzlich weist
der Transformator verbesserte elektrische Eigenschaften auf durch
die bessere Ausnutzung der Kernöffnungen.
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Das
anhand der 2–6 erläuterte Kammersystem
bezieht sich im wesentlichen auf einen E/E-Kern oder E/I-Kern. Andere
Ausgestaltungen, insbesondere für
andere Kernformen, sind aber ebenfalls möglich. Transformatoren dieser
Art können
beispielsweise in Resonanzwandler-Schaltnetzteilen verwendet werden,
die höhere
Leistungen im Bereich von deutlich über 100 Watt bereitstellen,
z. B. für
Plasma-Fernsehgeräte
oder Fernsehgeräte
mit großen
Bildröhren.